A gázcsere alapjai, a légzési gázok szállítása

• szárazföldi gerincesek: a hatékony gázcseréhez a környezet és a sejtek közötti egyszerű diffúzió nem elég

- légutak kialakítása (melegítés, párásítás, szűrés)

- áramlás folyamatos, kétirányú biztosítása a határfelszínek mentén (légmozgás és kapilláris-keringés)

- gázok szállítása a vérben• vérplazmában, ill. vörösvértestek segítségével

Alapfogalmak

• sejtlégzés: az anyagcserefolyamatokhoz szükséges O2

felvétel és CO2 leadás folyamata a sejtekben - gázcsere

• légzés: a légzési gázok kicserélése diffúzióval

külső légzés (II.): alveoláris levegő és tüdőkapillárisok között

belső légzés (III.) : szöveti kapillárisok és szöveti sejtek között

• légcsere (I.): a levegő be- illetve kiáramlása a tüdő és a

külvilág között

Alapfogalmak

szövetekvéráramlástüdő alveólus

levegő

alveólus epitélium

kapilláris endotéliumdiffúzió diffúzió

sejtmembrán

külső légzés belső légzés

• speciális határfelszínek: alveólus hám; kapilláris endotélium + sejtmembrán

• O2 felvétel és CO2 leadás passzív folyamat (diffúzió); sebessége függ

• az adott gáz koncentráció (parciális nyomás) viszonyaitól

• a felület nagyságától

• a diffúziós távolságtól

- a transzport irányát is megszabja!

• a gázmolekula méretétől és oldhatóságától

A levegő összetétele:N2 78.09% O2 20.95%CO2 0.03%argon 0.93%

O2 nyomásviszonyok:tengerszinten 760 Hg mm - 160 Hg mm 6000 m 360 Hg mm - 80 Hg mm

Egyes gázok vízoldhatósága légköri nyomásnál:N2 16.9 ml / 1000 ml vizO2 34.19 ml / 1000 ml vizCO2 11019 ml / 1000 ml víz

Magasabb nyomásnál nagyobb oldott gázmennyiség

Alapfogalmak

parciális nyomás: a teljes gázkeverék össznyomásából az adott gázra eső nyomásérték

oldott gáz nyomása (tenziója): azonos a vele egyensúlyban lévő gázfázisban az adott gáz parciális nyomásával (hőmérséklettől függ!)

PO2(Hgmm)

PO2(%)

PCO2(Hgmm)

PCO2(%)

száraz levegő 160 21,0 0,3 0,04

nedves levegő 150 19,7 0,3 0,04

alveoláris gáz 105 13,4 40 5,3

tüdő artéria 40 5,3 45 6,1

tüdő véna 100 13,2 40 5,3

• légköri légnyomás (tengerszinten): 760 Hgmm

Alapfogalmak

A légzési gázok külső és belső légzés alatti

parciális nyomásváltozásai

légköri levegő:

PO2: 160 Hgmm

PCO2: 0,3 Hgmm

alveolus

tüdő felé

jobb pitvar felé

bal pitvar felé

szövetek felé

alveoláris levegő:

PO2: 105 Hgmm

PCO2: 40 Hgmm

oxigenált vér:

PO2: 100 Hgmm

PCO2: 40 Hgmm

deoxigenált vér:

PO2: 40 Hgmm

PCO2: 45 Hgmm

CO2 kilégzésO2 belégzés

tüdő kapillárisok

szöveti kapillárisok

szövetek:

PO2: 40 Hgmm

PCO2: 45 Hgmm

belső

légzés

külső

légzés

nagy vérkör

kis vérkör

monocita

rugalmas rost

kötőszövet

II. típusú

alveoláris sejt

légzőhám

alveoláris folyadék + surfactant

I. típusú

alveoláris sejt

makrofág

vörösvértest a

tüdőkapillárisban

vörösvértest

endotél sejt

alaphártya ka

pill

áris

hámszövet alap-hártyaI. alveoláris sejtszövet közötti folyadék

O2

diffúzió

CO2

diffúzió

Az alveoláris légzőhám felépítése

légzőhám

surfactant

alveoláris

epitélium

(I. típusú

sejtek) +

alaphártya

szövet

közötti tér

vérplazma

vörösvértest

• respirációs (légzési) epitélium: 0,5 – 15 mm vastag, többrétegű specializált határfelület

kapilláris

endotélium

+ alaphártya

• minél vastagabb a légzőhám, annál lassabb a diffúzió sebessége

- cisztás fibrózis

- tüdőödéma

Az O2 szállítása• O2 fizikai oldódása rossz (halpusztulás, „pipálás”)

• 5 l vér nyugalomban 250-280 ml O2/min szállít, munkavégzéskor akár 4000 ml O2/min igény is lehet!

• hemoglobin (Hgb): O2 oldódás ~70x növelése

- oxihemoglobin élénkpiros, deoxihemoglobin sötét lilás-vörös (artériás/vénás vér színe)

- vörösvértestekben tárolt

- 4 fehérje-alegységből épül fel (globin; felnőttben pl. a2b2)- reverzibilis O2 kötés: hem

(vastartalmú porfirinváz; Fe2+)

hemoglobin

- max 4db O2 kötés / Hgb

Vörösvérsejt képzés és lebomlás

A vörös csontvelőben történik a vörösvérsejtek érése

Szükséges faktorok: B12 vitamin, B6 és C vitamin, transzkortin, folsaveritropoetin

(pajzsmirigyhormon, glükokortikoidok)

vérbenepében

makrofág (lép, máj, csontvelő)

vérképzés

~120 nap a keringésben

vizelet széklet

vékonybél

máj

vese

vastagbél

vvt pusztulás, fagocitózis

vörös csontvelő

• tönkrement/sérült vörösvértesteket a makrofágok bekebelezik

porfirin gyűrű felhasad → verdoglobin (zöld)

lehasad a vas és a globin → biliverdin (zöld)

globin redukálódik → bilirubin (sárga)

bilirubin kilép a makrofágokból, vérplazmában albuminhoz kötődik

bilirubin-albumin komplexet megkötik a májsejtek

a májban a bilirubin úgy módosul, hogy jobban oldódjon vízben (bilirubin-diglukoronid)

bilirubin-diglukoronid aztán az epébe, majd a bélbe kerül

bélben baktériumok oxidálják-redukálják → urobilinogének(színtelenek) → szterkobilin (barna, ez adja a széklet színét)

• bilirubin és származékai gyűjtőnéven az epefestékek

Hemoglobin lebomlás

A hemoglobin O2 kötése

- O2-kötési képességét az ún. szaturációs (telítettségi) görbe jelzi

a H

gb O

2-t

elíte

ttsége (

%)

deoxigenált vér

(összehúzódó vázizom)

deoxigenált vér

a szövetekben

(nyugalomban)

oxigenált

vér az

artériákban

• 100% telítettség: csak oxiHgb; mindegyik Hgb 4 O2-t köt

• 50% telítettség: pl. a Hgb 50%-a köt O2-t, ill. a 4 helyett csak 2 O2 / Hgb kötés

- az O2-kötési képessége a parciális O2-nyomástól igen jelentősen függ

• minél nagyobb a PO2, annál nagyobb a Hgb O2-telítettsége

• artériás, oxigenált vérben a Hgb ~100%-ban telített - a szöveti kapillárisokban, 40 Hgmm PO2

mellett a Hgb ~70%-ban telített -> O2 leadás történt

• fokozott izomműködés esetén a Hgb telítettsége már csak ~ 35% -> igen nagyfokú O2 leadás

- O2-kötési képességét az ún. szaturációs (telítettségi) görbe jelzi

a H

gb O

2-t

elíte

ttsége (

%)

PO2 (parciális O2 nyomás; Hgmm)

• "jobbra tolt" görbe:

azonos PO2 mellett a Hgb kevesebb O2-t köt - azaz több O2-t tud leadni

• "balra tolt" görbe:

azonos PO2 mellett a Hgb több O2-t köt - azaz több O2-t tud felvenni

O2 leadás fokozódása

O2 felvétel fokozódása

pl. a szövetekben az alacsony affinitás (azaz az alacsony O2-kötés és nagy O2-leadás) a „jó”

pl. a tüdőben a magas affinitás (azaz a magas O2-kötés és a kis O2-leadás) a „jó”

A hemoglobin O2 kötése

- a PO2 mellett számos más tényező is befolyásolja a Hgb szaturációs görbéjét

"jobbra tolt" görbe:

"balra tolt" görbe:

• savasodás (pH ), ill. CO2 termelése(pCO2 )

• lúgosabb környezet (pH ), ill. alacsonyabb CO2 szint (pCO2 )

• magasabb hőmérséklet (T )

• alacsonyabb hőmérséklet (T )

• vörösvértestek aerob anyagcseréje(glikolízis; 2,3-difoszfoglicerát termelés )

• vörösvértestek csökkent anyagcseréje (glikolízis,2,3-difoszfoglicerát termelés ; ld. "vérkonzerv")

• magaslati tartózkodás

• Hgb alegységek típusa: pl. magzati hemoglobin vagy mioglobin

A hemoglobin O2 kötése

a H

gb O

2-t

elíte

ttsé

ge (

%)

PO2 (parciális O2 nyomás; Hgmm)

"normál" görbe

"jobbra tolt"

görbe

"balra tolt" görbe

O2 leadás fokozódása

O2 felvétel fokozódása

50

20

30

40

10

60

70

80

90

100

5020 30 4010 60 70 80 90 100

- a magzati O2-felvétel biztosítása

a H

gb

O2-t

elíte

ttsé

ge

(%

) magzati Hgb

anyai Hgb

O2 leadás fokozódása

O2 felvétel fokozódása

"balra tolt" görbe (folyt.):

• a felnőtt a2b2 összetétel helyett e és g láncok a magzati fejlődés során

• a placenta kapillárisaiba már részlegesen deszaturált vér kerül -azonos O2 affinitás mellett a magzat O2 ellátása nem lenne megoldott

• a magzati Hgb O2 kötési képessége az anyai hemoglobinnál nagyobb

• alacsonyabb plazma pO2 mellett is képes O2-t felvenni az anyai Hgb-tól

- izomban a mioglobin is nagyobb O2-affinitással rendelkezik, mint a Hgb: fokozott munkavégzénél nagyobb mértékű O2 felvétel érhető el az izomban

A hemoglobin O2 kötése

A hemoglobin O2 kötése

- CO (szénmonoxid) mérgezés• 200x nagyobb affinitás CO iránt, mint O2 iránt, így a disszociáció is

sokkal lassabb

• 0,1% CO mellett a Hgb többsége már nem köt O2-t

- Fe2+ -> Fe3+ oxidáció

• kötött O2 maga is lassan oxidál

• Fe3+: methemoglobin, O2-kötésre nem képes

• methemoglobin-reduktáz (NADPH): fiziológiásan keletkezett methemoglobin folyamatos redukálása

- örökletes methemoglobinaemia: enzim mutációja, inaktiváció

- nitrát-szennyezés: fokozott oxidáló hatás, enzim nem képes visszaredukálni – csecsemőknél különösen veszélyes

Az O2 transzport károsodásaa vér O2 szállító képessége függ:

• a hemoglobin tartalomtól • a hemoglobin (O2-telítettségétől) szaturációjától • a keringő vér mennyiségétől

hipoxiás hipoxia: kevés az artériákban az O2

hipoxia: O2 hiány

anémiás hipoxia: kevés a működőképes Hgb• vérszegénység, CO mérgezés

hipovolémiás, hipotenziós hipoxia: szövetekhez nem jut el az O2

• alacsony perctérfogat, alacsony vértérfogat, érelzáródás, szívelégtelenség

szöveti hipoxia: szövetek nem tudják az O2-t felhasználni• ciánmérgezés (terminális oxidáció, O2 felvétel gátlása)

• alacsony pO2 (magas hegy)• légzőizmok elégtelen működése (légmell)• légzőközpont gyenge működése• asztma, tüdőödéma, cisztás fibrózis, tüdőtágulás, pitvari sövény

hiánya

búvármerülés: 10 m-ként 1 atm nyomásfokozódás

• külső nyomást ellensúlyozni kell -> sűrített levegő

- a gáz tágulása a tüdővénákat szétrepesztheti, keringésbe levegő kerül (levegő embólia) - nagy mennyiség a kamrában felgyűlhet, kis buborék a kisebb ereket zárhatja el; már 5m mélységből is!

• mélyebb merülés: N2 helyett pl. hélium (remegés, motoros aktivitás károsodása, EEG a aktivitás csökkenés, de kognitív képességek OK)

• keszon betegség: gyors felmerülés – PN2 hirtelen csökken, buborékképződés (10-30 min: csuklás, fájdalom, neurológiai problémák, gerincvelői paralízis)

• tiszta O2 toxikus (tüdő, kognitív károsodás, de motoros funkció O.K.)

• 30-40 m-ig: 80% N2, 20% O2 ; mélyebben PN2 fokozódása miatt mélységi mámor

Az O2 transzport károsodása

- kezelés: túlnyomásos kamrában

A CO2 szállítása1. fizikai oldódás: a vérplazmában elég jó (0,7 ml/l), (5-7%)

• hőmérséklettől, CO2 oldékonyságtól, CO2 tenziótól lineárisan függ

2. hemoglobin karbamino-kötés (~23%)

• egyensúlyi folyamat, függ

- PCO2-től (szöveti kapillárisban karbamino-Hgb, tüdő-kapillárisban CO2

képződés)

• CO2 diffúzió közvetlenül a vörösvértestbe

• CO2 a hemoglobin szabad NH2 csoportjával reagál –karbamino-Hgb

- Hgb oxigenáltságától (deoxiHgb nagyobb, oxiHgb kisebb mértékben szállítja – vénás vérben magasabb karbamino-Hgb tartalom)

Hgb CO2+ Hgb-CO2

A CO2 szállítása

3. szénsavképződés: szállítás HCO3- formában a vérplazmában

(~70%)

• vörösvértest citoplazma: nagy mennyiségű szénsavanhidráz

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-

szénsav-

anhidráz

szövet

1

2

3

kapillárisfal

vér-plazma

vörösvértest

lassú

gyors

karbamino-Hgb

• vörösvértest membrán: sok Cl- / HCO3

- transzporter

- passzív transzport; a keletkező HCO3

--t kiszállítja a vérplazmába, helyette Cl--t szállít be

- klorid csere (Hamburger-eltolódás)

- katalizátor; a reakciót mindkét irányba gyorsítani tudja

szénsav-

anhidráz

vér-plazma

vörösvértest

alveoláris tér

légzőhám

szénsav-

anhidráz

vér-plazma

vörösvértest

alveoláris tér

légzőhám

klorid-

csere

A CO2 szállítása

szövet

3

kapillárisfal

vér-plazma

vörösvértest

lassú

gyors

karbamino-Hgb

3. szénsavképződés a szövetekben

• Cl-/HCO3- csere: a HCO3

- a vérplazmába transzportálódik, „helyébe” Cl- kerül

• a szöveti kapillárisokban a CO2 a vvt-n belül hidrokarbonáttá (HCO3

-)

alakul, majd a vérplazmában szállítva jut el a tüdőbe

• a vvt-n belül a Hgb megköti a keletkező H+-t, így jelentős a HCO3-

képződés

• szöveti kapillárisokban a vvt Hgbdeoxigenálódik - a deoHgb viszont jobban köti a H+-t

• a HCO3- -képződés a Hgb

deoxigenálódásától is függ szénsav-

anhidráz

vér-plazma

vörösvértest

alveoláris tér

légzőhám

szénsav-

anhidráz

vér-plazma

vörösvértest

alveoláris tér

légzőhám

klorid-

csere

szénsav-

anhidráz

vér-plazma

vörösvértest

alveoláris tér

légzőhám

A CO2 szállítása

3. szénsavképződés a tüdőkapillárisokban

• a vvt-ben a Hgb O2-t köt, így a H+ disszociál –> a vvt citoplazmájában a HCO3

- szénsavvá alakul, majd disszociál

• vvt citoplazmában felszabaduló CO2 a vérplazmába, majd az alveoláris térbe diffundál

• vvt-n belüli HCO3- mennyisége

csökken –> a Cl-/HCO3--

transzporter a magas vvt Cl-

helyett a vérplazmából HCO3--t

hoz be

• vvt-n belül folyamatos CO2

képződés, amely diffúzióval az alveoláris térbe jut

klorid-

csere